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人类首次实现室温超导!研究登上《自然》封面

时间: 2020年10月16日 | 作者: Admin | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
据最新一期《自然》的封面文章,美国罗切斯特大学的科学家们在260万个大气压下,成功创造出了临界温度约为15℃的室温超导材料,这是人类首次实现室温超导。


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图片来源:Adam Fenster / University of Rochester


超导体是一种比常规导体更为优越的无损耗导电材料。现有的超导材料大都需要在极低温下才能工作,这大大限制了它们的大规模应用。因此,找到一种室温超导材料,是物理学家长久以来的梦想。而今,我们迎来了人类探索超导之路上的里程碑事件。


撰文丨樊亦非 杨心舟



让电阻消失


其实,现在距离首次发现超导现象足足有100多年了。早在1911年,荷兰物理学家卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)就已经发现,当温度降低至4.2K(约-268.95℃)时,浸泡在液氨里的金属汞的电阻会消失。


但直到1957年,才有了第一个真正能描述超导现象的理论——BCS理论。该理论由美国科学家约翰·巴丁(John Bardeen)、里昂·库伯(Leon Cooper)和约翰·施里佛(John Schrieffer)基于“波粒二象性”建立。他们认为,金属外层自由电子在有电压时,会流经晶格点阵形成电流,但通常情况下,这种晶格点阵有缺陷,会因热振动使电流产生阻碍。而在超导体中,电子会被束缚形成“库伯对”(Cooper pair),从而产生集体凝聚的波,这种波不同于自由电子,可以无阻碍地穿越晶格点阵。


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“库伯对”就仿佛是电子在互相一起舞蹈,但这种和谐的情况会随着温度的升高而逐渐消失。而如何让“库伯对”在温度很高的情况下也能稳定存在呢?尼尔·阿什克罗夫特(Neil Aschcroft)在1968年给出了答案,氢原子或许能成为超导体运作中的有力助手。氢原子体积很小,能使得电子在晶格点阵中距离得更近,而轻质量的氢原子也能使凝聚波传播更快,使“库伯对”更紧密。


但是只单纯用氢,需要1000万个大气压才能实现超导体目标,如果添加另一种元素,让氢嵌入其中,就能使条件变得不这么苛刻。这也促成了之后大家对氢化合物的大量测试,包括CaH6、H2S、H3S已经被相继发现能在“高温”条件(>40K)下实现超导性。


2019年,人类与室温超导更进一步。当时美国科学家马杜里·索马亚祖鲁(Maddury Somayazulu)的研究组宣布,十氢化镧(LaH10)在190万个大气压下,可以在逼近室温的260K以上出现超导性,这是曾经超导临界温度的最高纪录。


罗切斯特大学的兰加·迪亚斯(Ranga Dias)与索马亚祖鲁一样,也一直在寻找最合适的氢化合物。而距离索马亚祖鲁的研究仅一年,迪亚斯就用一种含碳的硫化氢刷新了超导体临界温度的记录。他的团队在一种用于在极高压下检测微量材料的研究装置——金刚石对顶砧(diamond anvil cell, DAC)中,将氢、碳和硫结合在一起,以光化学方法合成了含碳的硫化氢系统(carbonaceous sulfur hydride),它的最大临界温度为287.7±1.2K(约15℃),此时的压力是267±10千兆帕,约为海平面大气压的260万倍。



三元素体系的超导体


迪亚斯在采访中告诉《环球科学》:“之前从未有人预测到过这种C-S-H三元体系的超导性,我们在这个领域摸索了很多年,整个团队也都按照‘模仿金属氢状态’的思路来寻找超导体,”这也是之前预测可能寻找到常温超导体的方向,因此迪亚斯认为,此次的发现既是意料之外,又在情理之中。


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Ranga Dias(中)和研究团队。图片来源:罗彻斯特大学


除了开始提到的氢原子能更可能提供“库伯对”,迪亚斯还表示,为了获得高温超导体,也需要更强的化学键和较轻的元素,这是两项最基本的标准。而氢恰是最轻的元素,氢键正是最强的键之一。


理论上,金属氢具有较高的德拜温度和强的电子-声子耦合,这是室温超导所必需的。但是需要极高的压力,才能使纯氢变成金属态。于是,迪亚斯的实验室一直在寻求方法上的突破。最终,他们选择用富氢材料来模仿纯氢的超导相态,而不是直接使用纯氢。要使得这种富氢材料金属化,并不需要太高的压力。


例如,迪亚斯的实验测试了钇和氢的组合,形成的氢化钇在约262K(约-11.15℃)的高温(当时的最高纪录)和约177万大气压之下表现出超导性。但最终奇迹还是出现在三种元素的组合上。


他们将碳元素和硫元素以1:1的摩尔比混合并研磨成颗粒,放上DAC后充入氢气。随后,将该起始物料压缩至4千兆帕,并用激光照射数小时,以此使S-S化学键断裂,生成的硫自由基与氢气反应形成。加入甲烷(CH4)后,混合物中会发生分子交换,构成一个特殊系统,而在极端条件下会形成超导化合物。而正是这种超导化合物突破了室温的界限。


这样听起来似乎并不太难,但迪亚斯坦言,富氢材料的制造过程就非常繁琐,大部分合成材料需要在低压下制造,而有一些却需要高温高压的不可控制造条件来合成。而如何引入恰到好处的硫化氢和甲烷也是实验成功的关键,也是最困难的一步。


迪亚斯告诉《环球科学》,要想在高温下维持库伯对,氢的含量必须“刚刚好”。如果氢的含量太少,那化合物的超导性就会不如纯氢,但如果氢的含量太高,那化合物就会表现得像金属纯氢,需要非常高的压强才能实现超导性。测试中,迪亚斯损坏了非常多的金刚石,3000多对金刚石在加压中牺牲了。“这一过程的失败率非常高,”迪亚斯说,“我们总共做了几十次实验,才最终找到了合适的超导体。”


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图片来源:Adam Fenster / University of Rochester


最终,他们发现一种含碳的硫化氢超导体C-S-H在约260万倍大气压力,温度低于15摄氏度的情况下,电阻消失了。迪亚斯第一次看到结果时,还不太确信。为此,迪亚斯研究了C-S-H其磁性能。因为超导体和磁场会发生冲突,而强磁场会抑制超导性。


当迪亚斯将C-S-H置于磁场中时,这种超导化合物就需要更低的温度才能具有超导性了。而研究小组对材料施加振荡磁场时发现,当材料达到超导体条件时,它会将磁场从其内部排出,这是C-S-H真实具有超导性的另一个证据。



寻找常压超导体


C-S-H的室温超导性,启示着未来的超导探索者:加入第三种元素,可以为实验组合带来更多可能性。迪亚斯表示:“我们相信,这会为预测高温超导材料提供新的思路。”要知道,在元素周期上,可以出现4950种双元素组合,而三元素组合可以达到161700种。这无疑暗示着更强大的超导体可能还藏在这些三元素组合中。


不过,现在迪亚斯还无法给出这个三元素超导体的准确化学式。因为氢分子太小,在传统的晶格结构探测器中无法显示出来,因此研究者并不知道这种化合物内部的原子排列方式,也不能写出它的确切化学式。


当然,尽管这次研究中的C-S-H实现了室温超导,但其所需要的压力仍然不小,这或许在生产中直接使用是不太现实的。而接下来的挑战,便是寻找在较低压力下制造室温超导材料的方法,从而使大批量生产更加经济。


当被问到下一步的研究计划时,迪亚斯表示,他们已经成立了一家名为Unearthly Materials的新公司,目标便是通过“成分调谐(compositional tuning)”在普通环境气压下生产出这些稳定或亚稳定的材料。


届时,传输电力的电网将不再每小时损耗掉多达2亿兆瓦的电能,悬浮列车和其他运输工具将以全新的方式行进,医学成像和扫描技术(如MRI和心磁图)将得到提高,用于数字逻辑和存储设备技术的电子产品将更高效、快捷……


目前,我们还生活在一个半导体的世界。随着室温超导体的发现,一个不再需要电池的超导世界或许已经不远了。


原始论文:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z 

参考文章:

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0 

https://www.quantamagazine.org/physicists-discover-first-room-temperature-superconductor-20201014/

《环球科学》2019年11月号:《逼近室温超导》